Страница:
Такие зарядные устройства не требуют приборов измерения тока и напряжения, контроля окончания заряда и в конце заряда автоматически уменьшают ток, сообщая аккумулятору максимально возможный заряд. При необходимости заряжать аккумуляторные батареи большой емкости (например автомобильные) ток заряда нетрудно увеличить до 5 А. В этом случае транзистор VT2 необходимо заменить составным транзистором рис. 2.5, снабдив последний из них теплоотводом.
Восстановление пассивированных аккумуляторных батарей
В результате неправильной эксплуатации аккумуляторных батарей пластины их пассивируются и выходят из строя. Тем не менее известен способ восстановления таких батарей асимметричным током (при соотношении зарядной и разрядной составляющих тока 10 : 1 и отношении длительностей импульсов этих составляющих 1 : 2). Этот способ позволяет активизировать поверхности пластин старых аккумуляторов и проводить профилактику исправных [4].
На рис. 2.6 представлена схема заряда аккумуляторов асимметричным током, которая рассчитана на работу с 12 В аккумулятором и обеспечивает импульсный зарядный ток 5А и разрядный -0,5 А. Она представляет собой регулятор тока, собранный на транзисторах VT1...VT3. Питается устройство переменным током напряжением 22 В (амплитудное напряжение 30 В). При номинальном зарядном токе напряжение на заряженном аккумуляторе изменяется в пределах 13...15 В (среднее напряжение 14 В).
За время одного периода переменного напряжения формируется один импульс зарядного тока (угол отсечки alpha) равен 60o, рис. 2.7). В промежутке между зарядными импульсами формируется разрядный импульс через резистор R3, подбором которого устанавливается амплитуда разрядного тока.
Необходимо учитывать, что суммарный ток зарядного устройства должен равняться 1,1 от тока заряда аккумулятора, т.к. при заряде резистор R3 подключен параллельно аккумулятору.
При использовании аналогового амперметра он будет показывать около одной трети от амплитуды импульса зарядного тока. Схема защищена от короткого замыкания выхода.
Заряд аккумулятора ведут до тех пор, пока не наступит обильное газовыделение (кипение) во всех банках, а напряжение и плотность электролита будут постоянными в течение двух часов подряд. Это является признаком окончания заряда. Затем следует произвести уравнивание плотности электролита в секциях и продолжить заряд еще 30 минут для лучшего перемешивания.
Во время заряда аккумулятора следует периодически проверять температуру электролита, чтобы не допустить ее повышения выше 45oC в холодных и умеренных климатических зонах и выше 50oC в жарких и теплых влажных.
Так как при заряде кислотных аккумуляторов выделяется водород, следует проводить заряд аккумулятора в хорошо проветриваемом помещении, при этом не следует курить и пользоваться открытым пламенем. Образовавшаяся гремучая смесь обладает большой разрушительной силой.
2.2. ГЕРМЕТИЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Широко распространенные кислотные аккумуляторы, выполненные по классической технологии, доставляют много хлопот и оказывают вредное влияние на людей и аппаратуру. Они наиболее дешевы, но требуют дополнительных затрат на их обслуживание, специальных помещений и персонал.
Группа "CEAC", объединяющая европейских производителей аккумуляторов и занимающая первое место в Европе по производству свинцовых аккумуляторов, обеспечивает значительную долю рынка.
Значительный объем производимых аккумуляторов составляют герметичные, выполненные по технологии "dryfit" и AGM (абсорбированный электролит). Они характеризуются отсутствием эксплуатационных затрат и перекрывают диапазон емкостей от 1 до 12000 Ач, что позволяет удовлетворить требования любого потребителя.
2.2.1. АККУМУЛЯТОРЫ, ТЕХНОЛОГИЯ "DRYFIT"
Наиболее удобными и безопасными из кислотных аккумуляторов являются абсолютно необслуживаемые герметичные аккумуляторы VRLA (Valve Regulated Lead Acid) произведенные по технологии "dryfit". Внешний вид показан на рис. 2.8. Электролит в этих аккумуляторах находится в желеобразном состоянии. Это гарантирует надежность аккумуляторов и безопасность их эксплуатации.
Технические характеристики аккумуляторов "DRYFIT"
В зависимости от предполагаемого режима работы рекомендуются два типа аккумуляторов: "dryfit" А400 -- для буферного режима и А500 -- для режима буфер + цикл. Эти аккумуляторы выпускаются немецкой фирмой Sonnenschein, входящей в группу европейских производителей "CEAC", и характеризуются следующими преимуществами:
абсолютно необслуживаемые в течение всего срока службы;
продолжительный срок службы (с сохранением остаточной емкости 80%);
классификация Евробат -- высокая работоспособность (High Performance);
технология "dryfit": электролит зафиксирован в желеобразном состоянии;
намазные пластины в блочном исполнении;
очень малое газовыделение за счет системы внутренней рекомбинации;
способность быстрого восстановления емкости;
аккумуляторы "dryfit" не являются опасным грузом для авиа-, авто- и железнодорожного транспорта (согласно IATA);
очень малый саморазряд: даже после 2 лет хранения (при 20oС) не требуется подзаряд перед вводом в эксплуатацию;
допускается перезаряд;
устойчивы к глубокому разряду согласно DIN 43539 ч. 5;
диапазон емкости: от 5,5 до 180 Ач для А 400 и от 2,0 до 115 Ач для А500;
аккумуляторы принимаются на вторичную переработку фирмой Sonnenschein, т. к. содержат много ценных материалов;
имеют сертификат Немецкой Федеральной почты, TL 6140-3003;
соответствуют VDE 0108 ч.1 для аварийного энергоснабжения.
Аккумуляторы А500 более универсальны и являются последовательной разработкой и предназначены для смешанного режима -- "буфер+цикл". В них намного улучшены характеристики саморазряда за счет изменения конструкции банок и состава электролита. Соответствуют следующим нормам: DIN, BS, IES, а также имеют допуск по VdS.
Типы выводов аккумуляторов А400 и А500 приведены на рис. 2.9. Технические характеристики -- в табл. 2.13 и 2.14 соответственно.
Условное обозначение аккумуляторов "dryfit" содержит:
первая буква и три следующие за ней цифры -- тип аккумулятора;
последующие цифры -- номинальная емкость, Ач;
последние буквы -- тип вывода аккумулятора (согласно DIN 72311, предельные токи разряда достигаются только при использовании штатного контакта).
Техника заряда аккумуляторов "DRYFIT"
Заряд аккумулятора происходит, если к нему приложен потенциал, превышающий его рабочее напряжение. Ток заряда аккумулятора пропорционален разности приложенного напряжения и напряжения холостого хода. Напряжение аккумулятора возрастает по мере заряда до тех пор, пока не начинается электролиз. Одновременно с этим уменьшается эффективность заряда, а напряжение на зажимах аккумулятора увеличивается по мере уменьшения скорости заряда.
Скорость заряда аккумулятора может быть определена в терминах емкости. Если емкость аккумулятора С заряжается за время t, то скорость заряда определяется отношением С/t. Аккумулятор емкостью 100 Ач при разряде со скоростью С/5 полностью разрядится за 5 часов, при этом ток разряда составит 100/5, или 20 А. Если аккумулятор заряжается со скоростью C/10,то ток его заряда будет равен 100/10, или 10 А. Скорость заряда можно оценить в длительностях цикла. Так, если аккумулятор заряжается за 5 часов, то говорят, что он имеет цикл 5ч.
После полного заряда аккумулятора дальнейшее продолжение заряда вызывает выделение газов (происходит "перезаряд"). В классических аккумуляторах в процессе перезаряда удаляется вода и происходит распыление электролита с выделением газов. Часть электролита разбрызгивается через вентиляционные отверстия, т.е. теряется. При добавлении воды в электролит уменьшается его концентрация и ухудшаются характеристики аккумулятора.
В аккумуляторах, произведенных по технологии "dryfit", реакции электродов происходят с участием электролита. Композиция электролита не изменяется по мере заряда или разряда. Поэтому электролит сконструирован так, что генерация кислорода в процессе заряда компенсируется другими химическими реакциями, поддерживающими условия равновесия, в которых батарея может длительно заряжаться без потерь воды. Это принципиально важно для герметичных аккумуляторов.
Напряжение заряда аккумуляторов А400 для режима плавающего заряда должно находиться в пределах от 2,3 В до 2,23 В/элемент. При заряде 12 В аккумуляторов, состоящих из 6-ти элементов (банок), эта цифра умножается на 6, т.е. напряжение заряда для 12 В аккумулятора должно находиться в пределах от 13,8 В до 13,38 В. Для 6-ти вольтовых аккумуляторов число элементов 3, для 4-х -- 2, а для 2-х вольтовых -- 1.
Кривые заряда для аккумуляторов "dryfit" A400 (буферный режим) показаны на рис. 2.10, а для аккумуляторов "dryfit" A500 (буферный режим -- область 1 и циклический режим -- область 2) показаны на рис. 2.11. Эти кривые справедливы для режима длительного подзаряда.
При изменяющейся температуре зарядное напряжение следует корректировать согласно графиков. При этом напряжение заряда может изменяться в пределах от 2,15 В/элемент до 2,55 В/элемент при изменении температуры в пределах от -30oС до +50oС.
При буферном режиме напряжение заряда при 20oС должно находиться в пределах 2,3-2,35 В/элемент. Колебание напряжения не должно превышать +30 мВ/элемент.
При зарядном напряжении большем 2,4 В следует ограничивать ток заряда до 0,5 А на каждый Ач для двух режимов.
Для компенсационного режима заряда приведены зависимости времени заряда от величины зарядного тока аккумулятора на рис. 2.12 для аккумуляторов А400 и рис. 2.13 для А500. Компенсационный заряд возможен для циклического и буферного режимов работы. На обоих графиках показаны три кривые, соответствующие 50%, 70% и 90% заряду. Для аккумуляторов А400 максимальное напряжение заряда составляет 2,3 В/элемент, а для А500 -- 2,4 В/элемент.
Для аккумуляторов А500 возможны два режима буферный и циклический. При циклическом режиме заряда зарядное напряжение должно быть выше, чем при буферном для того, чтобы увеличить время между циклами заряда.
Техника разряда аккумуляторов "DRYFIT"
Аккумуляторы, изготовленные по технологии "dryfit" оказываются мало чувствительными к условиям разряда. Кроме того, емкость также нечувствительна к разрядам со скоростью ниже С/10.
При более интенсивных разрядах емкость уменьшается по мере увеличения скорости разряда, но не так "драматично", как в случае аккумуляторов, выполненных по традиционной технологии. Поэтому, изготовителю достаточно привести относительно ограниченное число типовых кривых разряда. При оговоренной емкости аккумулятора скорость разряда выбирается невысокой (например С/10),чтобы максимально реализовать емкость элемента. Зависимость процентного соотношения емкости от максимального тока разряда аккумуляторов, произведенных по технологии "dryfit", приведены на рис. 2.14.
При высокой скорости разряд реально оказывается ограниченным, поскольку из-за наличия внутреннего сопротивления аккумулятора напряжение уменьшается ниже напряжения отсечки (напряжением отсечки называется минимальное напряжение, при котором аккумулятор способен отдавать полезную энергию при определенных условиях). Это происходит до начала "истощения" электрохимической энергии. Однако снижение тока разряда уменьшает падение напряжения IхR внутри элемента, при этом напряжение элемента повышается по сравнению с напряжением отсечки, и разряд продолжается.
При разомкнутой батарее отдаваемая мощность равна нулю, поскольку ток равен нулю. Если батарея короткозамкнута, то отдаваемая мощность снова равна нулю, так как напряжение близко к нулю, хотя ток может быть очень большим. Среднее напряжение зависит от отбираемого тока, но линейной зависимости между этими величинами нет.
Для химических источников тока зависимость времени разряда от мощности, отдаваемой аккумуляторной батареей, показана на рис. 2.15. Из графика видно, что максимальная отдаваемая мощность имеет место при равенстве сопротивления нагрузки внутреннему сопротивлению батареи.
Для аккумуляторов А500 на рис. 2.16 показана зависимость времени разряда от т.н. удельной мощности, которая измеряется в В/элемент по отношению к 1 Ач. Рис. 2.17 показывает время разряда аккумуляторов А500 при разряде постоянным током в терминах емкости.
Для аккумуляторов А400 приведены данные разряда постоянным током и постоянной мощностью в таблицах 2.15 и 2.16. При этом для аккумуляторов А400 разрядное напряжение ограничивается на уровне 1,6 В/элемент.
Свинцовым аккумуляторам присуща уникальная особенность -способность выделять водород при перенапряжениях и кислород, когда напряжение свинцовой батареи приближается к значению, свойственному полному заряду, при этом происходит существенный подъем напряжения, необходимый для прохождения заряжающего тока через электролит. Если напряжение, обусловливающее прохождение зарядного тока, фиксировано и достаточно высоко для заряда электродов, но не настолько, чтобы вызвать выделение газа, напряжение элемента будет расти до тех пор, пока не станет равным напряжению заряжающего источника.
В аккумуляторах, выполненных по технологии "dryfit", каждая банка закрыта вентилем, что предотвращает проникновение кислорода извне.
При внутреннем избыточном давлении вентиль открывается, чтобы затем вновь закрыть банку. Не следует размещать аккумуляторы в герметичных помещениях. Допускается установка в любом положении. При стационарной установке аккумуляторов "dryfit" в помещениях, шкафах и емкостях следует выполнять предписания VDE 0510, следить за тем, чтобы вентили находились сверху и не были чем-либо закрыты.
Предельная емкость аккумуляторных батарей реализуется при нормальной температуре (20oС), малых скоростях разряда и низких напряжениях отсечки. Подвижность ионов и скорость их взаимодействия с электродами уменьшаются по мере снижения температуры, и большинство батарей с электролитами на водной основе уменьшают отдаваемую энергию в сравнении с той, которую они могут отдать при нормальной температуре. Если электролит замерзает, то подвижность ионов может упасть до такой степени, что батарея перестанет работать. При снижении температуры не следует рассчитывать аппаратуру для работы при малых рабочих напряжениях.
Остаточная снимаемая емкость аккумуляторов А400 и А500 при разряде постоянным током и изменении температуры показана на рис. 2.18.
При разряде батареи в условиях низких температур увеличивается ее внутреннее сопротивление, что приводит к выделению дополнительного тепла, которое в некоторой степени компенсирует понижение температуры окружающей среды. В результате работоспособность батареи определяется ее конструкцией и условиями разряда.
Как показано на рис. 2.19, внутреннее сопротивление представляет собой часть полной электрической цепи. Так как ток нагрузки проходит и через батарею, напряжение на выводах батареи в действительности представляет собой напряжение, создаваемое системой электронов батареи, минус падение напряжения, вызванное прохождением тока через нее. Большая часть внутреннего сопротивления элемента создается активными материалами электродов и электролита, которые изменяются по мере старения электролита и степени заряда. Внутреннее сопротивление батареи может ограничивать необходимый ток, отдаваемый в нагрузку.
Для определения внутреннего сопротивления элемента или батареи можно воспользоваться способом, заключающимся в измерении его характеристик на переменном токе (частота 1 КГц и выше). Так как многие реакции на электродах обратимы, можно считать, что при измерениях на переменном токе химические реакции не происходят и импеданс соответствует внутреннему сопротивлению. Измерения на переменном токе можно сочетать с измерениями на постоянном токе. Изменение напряжения элемента ХИТ при изменении внутреннего сопротивления показано на рис. 2.20.
Считается, что перезаряжаемый аккумулятор проработал свой срок службы, если его емкость падает до 80% указанной первоначальной емкости. В этом случае 30% глубина разряда соответствует максимальному циклическому сроку службы аккумулятора.
Так после двух лет хранения аккумулятор сохраняет 50% емкости. После заряда аккумуляторы серии А400 и А500 восстанавливают 100% емкости. Зависимость остаточной емкости от времени складирования при различных температурах показана на рис. 2.21. В них намного улучшены параметры (в сравнении с предшествующими типами аккумуляторов А200 и А300) за счет изменения конструкции банок и состава электролита.
Сроки службы аккумуляторов, изготовленных по технологии "dryfit":
А 400 8...10 лет
А 500 5...6 лет
Аккумуляторы А400 и А500 устойчивы к глубокому разряду согласно DIN 43539.
Не рекомендуется использовать режим более глубокого, а также мягкого разряда, которые снижают продолжительность циклического срока службы аккумулятора.
2.2.2. ГЕРМЕТИЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Особую группу никель-кадмиевых аккумуляторов составляют герметичные аккумуляторы (таблицы 2.17 и 2.18). Выделяющийся в конце заряда кислород окисляет кадмий, поэтому давление в аккумуляторе не повышается. Скорость образования кислорода должна быть невелика, поэтому аккумулятор заряжают относительно небольшим током.
Герметичные аккумуляторы подразделяются на дисковые (обозначение Д), цилиндрические (обозначение Ц) и прямоугольные (обозначение КНГ).
Герметичные аккумуляторы применяются для слуховых аппаратов, малогабаритных радиоприемников, магнитофонов, фото-кино аппаратуры, карманных фонарей и т.д.
Гарантийный срок хранения аккумуляторов Д-0,125 -- 15 мес., Д-0,26 -- 6 мес., батареи 7Д-0,125 -- 14 мес. Гарантийный срок эксплуатации аккумуляторов Д-0,125 -- 14 мес., Д-0,26 -12 мес., а батареи 7Д-0,125 -- 15 мес.
Наработка дисковых аккумуляторов составляет до 400 циклов, цилиндрических -- от 100 до 1000 циклов в зависимости от условий эксплуатации.
Герметичные прямоугольные никель-кадмиевые аккумуляторы производятся с отрицательными неметаллокерамическими электродами из оксида кадмия (тип КНГК) или с металлокерамическими кадмиевыми электродами (тип КНГ) см. таблицу 2.17.
Разряжать герметичные аккумуляторы можно мгновенно (импульсный режим), в течение нескольких секунд (стартерный режим) и медленно -- в течение 10...15ч (длительный режим). Среднее разрядное напряжение в этих режимах равно соответственно: 1,1...1,12; 1,16...1,18; и 1,22...1,25 В. В конце разряда напряжение составляет 0,9...1,1В. Номинальная емкость выпускаемых аккумуляторов лежит в пределах 0,03...50 Ач, удельная энергия 16...23 Втч/кг и 45...63 кВтч/м3. При хранении заряженный аккумулятор саморазряжается (20...30% за первые 10 суток).
Рабочим интервалом температур для герметичных аккумуляторов считают интервал от 10 до 50oС. При -10oС емкость аккумулятора уменьшается по сравнению с емкостью при 20...30oС на 30...40%. Срок службы герметичных аккумуляторов меньше, чем обычных никель-кадмиевых.
Внутреннее сопротивление герметичных аккумуляторов очень мало. Например, у аккумулятора Д-0,125 при частоте f = 25 Гц оно составляет 0,5 Ом при f = 800 Гц -- 0,4 Ом и при f = 4000 Гц -- 0,32 Ом. С увеличением емкости внутреннее сопротивление падает. При емкости 1,5 Ач внутреннее сопротивление герметичного аккумулятора составляет 0,015 Ом. По мере разряда аккумулятора внутреннее сопротивление увеличивается.
Аккумуляторы концерна Varta выполнены по новой никель-гидридной технологии и имеют маркировку на этикетке Ni/MH.
Список литературы
1. Кауфман М., Сидман. А.Г.
Практическое руководство по расчетам схем в электронике. Справочник. В 2-х т.: Пер. с англ./ Под ред. Ф.Н. Покровского.
М.: Энергоатомиздат, 1991. 368 с.
2. Терещук Р.М. и др.
Малогабаритная аппаратура. Справочник радиолюбителя.
К.: Наукова думка, 1975. 557 с.
3. Сена Л.А.
Единицы физических величин и их размерности.
Учебно-справочное руководство. 3-е изд., перераб. и доп.
М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. 432 с.
4. Деордиев С.С.
Аккумуляторы и уход за ними.
К.: Техника, 1985. 136 с.
5. Электротехнический справочник.
В 3-х т. Т.2. Электротехнические изделия и устройства/под общ. ред. профессоров МЭИ (гл. ред. И. Н. Орлов) и др. 7 изд. 6 испр. и доп.
М.: Энергоатомиздат, 1986. 712 с.
6. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы.
Справочник. Под ред. С.В.Якубовского.
М.: Радио и связь, 1990. 496 с.
7. Семушкин С.
Источники тока и их применение. "Радио", 1978. № 2,3.
8. Векслер Г.С.
Расчет электропитающих устройств.
К.: Техника, 1978. 208 с.
9. Лисовский Ф.В., Калугин И.К.
Англо-русский словарь по радиоэлектронике. 2-е изд., перераб. и доп. Ок. 63000 терминов.
М.: Рус. яз., 1987.
10. Багоцкий В.С., Скундин А.М.
Химические источники тока.
М.: Энергоиздат, 1981. 360 с.
11. Кромптон Т.
Первичные источники тока.
М.: мир, 1986. 326 с.
Восстановление пассивированных аккумуляторных батарей
В результате неправильной эксплуатации аккумуляторных батарей пластины их пассивируются и выходят из строя. Тем не менее известен способ восстановления таких батарей асимметричным током (при соотношении зарядной и разрядной составляющих тока 10 : 1 и отношении длительностей импульсов этих составляющих 1 : 2). Этот способ позволяет активизировать поверхности пластин старых аккумуляторов и проводить профилактику исправных [4].
На рис. 2.6 представлена схема заряда аккумуляторов асимметричным током, которая рассчитана на работу с 12 В аккумулятором и обеспечивает импульсный зарядный ток 5А и разрядный -0,5 А. Она представляет собой регулятор тока, собранный на транзисторах VT1...VT3. Питается устройство переменным током напряжением 22 В (амплитудное напряжение 30 В). При номинальном зарядном токе напряжение на заряженном аккумуляторе изменяется в пределах 13...15 В (среднее напряжение 14 В).
За время одного периода переменного напряжения формируется один импульс зарядного тока (угол отсечки alpha) равен 60o, рис. 2.7). В промежутке между зарядными импульсами формируется разрядный импульс через резистор R3, подбором которого устанавливается амплитуда разрядного тока.
Необходимо учитывать, что суммарный ток зарядного устройства должен равняться 1,1 от тока заряда аккумулятора, т.к. при заряде резистор R3 подключен параллельно аккумулятору.
При использовании аналогового амперметра он будет показывать около одной трети от амплитуды импульса зарядного тока. Схема защищена от короткого замыкания выхода.
Заряд аккумулятора ведут до тех пор, пока не наступит обильное газовыделение (кипение) во всех банках, а напряжение и плотность электролита будут постоянными в течение двух часов подряд. Это является признаком окончания заряда. Затем следует произвести уравнивание плотности электролита в секциях и продолжить заряд еще 30 минут для лучшего перемешивания.
Во время заряда аккумулятора следует периодически проверять температуру электролита, чтобы не допустить ее повышения выше 45oC в холодных и умеренных климатических зонах и выше 50oC в жарких и теплых влажных.
Так как при заряде кислотных аккумуляторов выделяется водород, следует проводить заряд аккумулятора в хорошо проветриваемом помещении, при этом не следует курить и пользоваться открытым пламенем. Образовавшаяся гремучая смесь обладает большой разрушительной силой.
2.2. ГЕРМЕТИЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Широко распространенные кислотные аккумуляторы, выполненные по классической технологии, доставляют много хлопот и оказывают вредное влияние на людей и аппаратуру. Они наиболее дешевы, но требуют дополнительных затрат на их обслуживание, специальных помещений и персонал.
Группа "CEAC", объединяющая европейских производителей аккумуляторов и занимающая первое место в Европе по производству свинцовых аккумуляторов, обеспечивает значительную долю рынка.
Значительный объем производимых аккумуляторов составляют герметичные, выполненные по технологии "dryfit" и AGM (абсорбированный электролит). Они характеризуются отсутствием эксплуатационных затрат и перекрывают диапазон емкостей от 1 до 12000 Ач, что позволяет удовлетворить требования любого потребителя.
2.2.1. АККУМУЛЯТОРЫ, ТЕХНОЛОГИЯ "DRYFIT"
Наиболее удобными и безопасными из кислотных аккумуляторов являются абсолютно необслуживаемые герметичные аккумуляторы VRLA (Valve Regulated Lead Acid) произведенные по технологии "dryfit". Внешний вид показан на рис. 2.8. Электролит в этих аккумуляторах находится в желеобразном состоянии. Это гарантирует надежность аккумуляторов и безопасность их эксплуатации.
Технические характеристики аккумуляторов "DRYFIT"
В зависимости от предполагаемого режима работы рекомендуются два типа аккумуляторов: "dryfit" А400 -- для буферного режима и А500 -- для режима буфер + цикл. Эти аккумуляторы выпускаются немецкой фирмой Sonnenschein, входящей в группу европейских производителей "CEAC", и характеризуются следующими преимуществами:
абсолютно необслуживаемые в течение всего срока службы;
продолжительный срок службы (с сохранением остаточной емкости 80%);
классификация Евробат -- высокая работоспособность (High Performance);
технология "dryfit": электролит зафиксирован в желеобразном состоянии;
намазные пластины в блочном исполнении;
очень малое газовыделение за счет системы внутренней рекомбинации;
способность быстрого восстановления емкости;
аккумуляторы "dryfit" не являются опасным грузом для авиа-, авто- и железнодорожного транспорта (согласно IATA);
очень малый саморазряд: даже после 2 лет хранения (при 20oС) не требуется подзаряд перед вводом в эксплуатацию;
допускается перезаряд;
устойчивы к глубокому разряду согласно DIN 43539 ч. 5;
диапазон емкости: от 5,5 до 180 Ач для А 400 и от 2,0 до 115 Ач для А500;
аккумуляторы принимаются на вторичную переработку фирмой Sonnenschein, т. к. содержат много ценных материалов;
имеют сертификат Немецкой Федеральной почты, TL 6140-3003;
соответствуют VDE 0108 ч.1 для аварийного энергоснабжения.
Аккумуляторы А500 более универсальны и являются последовательной разработкой и предназначены для смешанного режима -- "буфер+цикл". В них намного улучшены характеристики саморазряда за счет изменения конструкции банок и состава электролита. Соответствуют следующим нормам: DIN, BS, IES, а также имеют допуск по VdS.
Типы выводов аккумуляторов А400 и А500 приведены на рис. 2.9. Технические характеристики -- в табл. 2.13 и 2.14 соответственно.
Условное обозначение аккумуляторов "dryfit" содержит:
первая буква и три следующие за ней цифры -- тип аккумулятора;
последующие цифры -- номинальная емкость, Ач;
последние буквы -- тип вывода аккумулятора (согласно DIN 72311, предельные токи разряда достигаются только при использовании штатного контакта).
Техника заряда аккумуляторов "DRYFIT"
Заряд аккумулятора происходит, если к нему приложен потенциал, превышающий его рабочее напряжение. Ток заряда аккумулятора пропорционален разности приложенного напряжения и напряжения холостого хода. Напряжение аккумулятора возрастает по мере заряда до тех пор, пока не начинается электролиз. Одновременно с этим уменьшается эффективность заряда, а напряжение на зажимах аккумулятора увеличивается по мере уменьшения скорости заряда.
Скорость заряда аккумулятора может быть определена в терминах емкости. Если емкость аккумулятора С заряжается за время t, то скорость заряда определяется отношением С/t. Аккумулятор емкостью 100 Ач при разряде со скоростью С/5 полностью разрядится за 5 часов, при этом ток разряда составит 100/5, или 20 А. Если аккумулятор заряжается со скоростью C/10,то ток его заряда будет равен 100/10, или 10 А. Скорость заряда можно оценить в длительностях цикла. Так, если аккумулятор заряжается за 5 часов, то говорят, что он имеет цикл 5ч.
После полного заряда аккумулятора дальнейшее продолжение заряда вызывает выделение газов (происходит "перезаряд"). В классических аккумуляторах в процессе перезаряда удаляется вода и происходит распыление электролита с выделением газов. Часть электролита разбрызгивается через вентиляционные отверстия, т.е. теряется. При добавлении воды в электролит уменьшается его концентрация и ухудшаются характеристики аккумулятора.
В аккумуляторах, произведенных по технологии "dryfit", реакции электродов происходят с участием электролита. Композиция электролита не изменяется по мере заряда или разряда. Поэтому электролит сконструирован так, что генерация кислорода в процессе заряда компенсируется другими химическими реакциями, поддерживающими условия равновесия, в которых батарея может длительно заряжаться без потерь воды. Это принципиально важно для герметичных аккумуляторов.
Напряжение заряда аккумуляторов А400 для режима плавающего заряда должно находиться в пределах от 2,3 В до 2,23 В/элемент. При заряде 12 В аккумуляторов, состоящих из 6-ти элементов (банок), эта цифра умножается на 6, т.е. напряжение заряда для 12 В аккумулятора должно находиться в пределах от 13,8 В до 13,38 В. Для 6-ти вольтовых аккумуляторов число элементов 3, для 4-х -- 2, а для 2-х вольтовых -- 1.
Кривые заряда для аккумуляторов "dryfit" A400 (буферный режим) показаны на рис. 2.10, а для аккумуляторов "dryfit" A500 (буферный режим -- область 1 и циклический режим -- область 2) показаны на рис. 2.11. Эти кривые справедливы для режима длительного подзаряда.
При изменяющейся температуре зарядное напряжение следует корректировать согласно графиков. При этом напряжение заряда может изменяться в пределах от 2,15 В/элемент до 2,55 В/элемент при изменении температуры в пределах от -30oС до +50oС.
При буферном режиме напряжение заряда при 20oС должно находиться в пределах 2,3-2,35 В/элемент. Колебание напряжения не должно превышать +30 мВ/элемент.
При зарядном напряжении большем 2,4 В следует ограничивать ток заряда до 0,5 А на каждый Ач для двух режимов.
Для компенсационного режима заряда приведены зависимости времени заряда от величины зарядного тока аккумулятора на рис. 2.12 для аккумуляторов А400 и рис. 2.13 для А500. Компенсационный заряд возможен для циклического и буферного режимов работы. На обоих графиках показаны три кривые, соответствующие 50%, 70% и 90% заряду. Для аккумуляторов А400 максимальное напряжение заряда составляет 2,3 В/элемент, а для А500 -- 2,4 В/элемент.
Для аккумуляторов А500 возможны два режима буферный и циклический. При циклическом режиме заряда зарядное напряжение должно быть выше, чем при буферном для того, чтобы увеличить время между циклами заряда.
Техника разряда аккумуляторов "DRYFIT"
Аккумуляторы, изготовленные по технологии "dryfit" оказываются мало чувствительными к условиям разряда. Кроме того, емкость также нечувствительна к разрядам со скоростью ниже С/10.
При более интенсивных разрядах емкость уменьшается по мере увеличения скорости разряда, но не так "драматично", как в случае аккумуляторов, выполненных по традиционной технологии. Поэтому, изготовителю достаточно привести относительно ограниченное число типовых кривых разряда. При оговоренной емкости аккумулятора скорость разряда выбирается невысокой (например С/10),чтобы максимально реализовать емкость элемента. Зависимость процентного соотношения емкости от максимального тока разряда аккумуляторов, произведенных по технологии "dryfit", приведены на рис. 2.14.
При высокой скорости разряд реально оказывается ограниченным, поскольку из-за наличия внутреннего сопротивления аккумулятора напряжение уменьшается ниже напряжения отсечки (напряжением отсечки называется минимальное напряжение, при котором аккумулятор способен отдавать полезную энергию при определенных условиях). Это происходит до начала "истощения" электрохимической энергии. Однако снижение тока разряда уменьшает падение напряжения IхR внутри элемента, при этом напряжение элемента повышается по сравнению с напряжением отсечки, и разряд продолжается.
При разомкнутой батарее отдаваемая мощность равна нулю, поскольку ток равен нулю. Если батарея короткозамкнута, то отдаваемая мощность снова равна нулю, так как напряжение близко к нулю, хотя ток может быть очень большим. Среднее напряжение зависит от отбираемого тока, но линейной зависимости между этими величинами нет.
Для химических источников тока зависимость времени разряда от мощности, отдаваемой аккумуляторной батареей, показана на рис. 2.15. Из графика видно, что максимальная отдаваемая мощность имеет место при равенстве сопротивления нагрузки внутреннему сопротивлению батареи.
Для аккумуляторов А500 на рис. 2.16 показана зависимость времени разряда от т.н. удельной мощности, которая измеряется в В/элемент по отношению к 1 Ач. Рис. 2.17 показывает время разряда аккумуляторов А500 при разряде постоянным током в терминах емкости.
Для аккумуляторов А400 приведены данные разряда постоянным током и постоянной мощностью в таблицах 2.15 и 2.16. При этом для аккумуляторов А400 разрядное напряжение ограничивается на уровне 1,6 В/элемент.
Свинцовым аккумуляторам присуща уникальная особенность -способность выделять водород при перенапряжениях и кислород, когда напряжение свинцовой батареи приближается к значению, свойственному полному заряду, при этом происходит существенный подъем напряжения, необходимый для прохождения заряжающего тока через электролит. Если напряжение, обусловливающее прохождение зарядного тока, фиксировано и достаточно высоко для заряда электродов, но не настолько, чтобы вызвать выделение газа, напряжение элемента будет расти до тех пор, пока не станет равным напряжению заряжающего источника.
В аккумуляторах, выполненных по технологии "dryfit", каждая банка закрыта вентилем, что предотвращает проникновение кислорода извне.
При внутреннем избыточном давлении вентиль открывается, чтобы затем вновь закрыть банку. Не следует размещать аккумуляторы в герметичных помещениях. Допускается установка в любом положении. При стационарной установке аккумуляторов "dryfit" в помещениях, шкафах и емкостях следует выполнять предписания VDE 0510, следить за тем, чтобы вентили находились сверху и не были чем-либо закрыты.
Предельная емкость аккумуляторных батарей реализуется при нормальной температуре (20oС), малых скоростях разряда и низких напряжениях отсечки. Подвижность ионов и скорость их взаимодействия с электродами уменьшаются по мере снижения температуры, и большинство батарей с электролитами на водной основе уменьшают отдаваемую энергию в сравнении с той, которую они могут отдать при нормальной температуре. Если электролит замерзает, то подвижность ионов может упасть до такой степени, что батарея перестанет работать. При снижении температуры не следует рассчитывать аппаратуру для работы при малых рабочих напряжениях.
Остаточная снимаемая емкость аккумуляторов А400 и А500 при разряде постоянным током и изменении температуры показана на рис. 2.18.
При разряде батареи в условиях низких температур увеличивается ее внутреннее сопротивление, что приводит к выделению дополнительного тепла, которое в некоторой степени компенсирует понижение температуры окружающей среды. В результате работоспособность батареи определяется ее конструкцией и условиями разряда.
Как показано на рис. 2.19, внутреннее сопротивление представляет собой часть полной электрической цепи. Так как ток нагрузки проходит и через батарею, напряжение на выводах батареи в действительности представляет собой напряжение, создаваемое системой электронов батареи, минус падение напряжения, вызванное прохождением тока через нее. Большая часть внутреннего сопротивления элемента создается активными материалами электродов и электролита, которые изменяются по мере старения электролита и степени заряда. Внутреннее сопротивление батареи может ограничивать необходимый ток, отдаваемый в нагрузку.
Для определения внутреннего сопротивления элемента или батареи можно воспользоваться способом, заключающимся в измерении его характеристик на переменном токе (частота 1 КГц и выше). Так как многие реакции на электродах обратимы, можно считать, что при измерениях на переменном токе химические реакции не происходят и импеданс соответствует внутреннему сопротивлению. Измерения на переменном токе можно сочетать с измерениями на постоянном токе. Изменение напряжения элемента ХИТ при изменении внутреннего сопротивления показано на рис. 2.20.
Считается, что перезаряжаемый аккумулятор проработал свой срок службы, если его емкость падает до 80% указанной первоначальной емкости. В этом случае 30% глубина разряда соответствует максимальному циклическому сроку службы аккумулятора.
Так после двух лет хранения аккумулятор сохраняет 50% емкости. После заряда аккумуляторы серии А400 и А500 восстанавливают 100% емкости. Зависимость остаточной емкости от времени складирования при различных температурах показана на рис. 2.21. В них намного улучшены параметры (в сравнении с предшествующими типами аккумуляторов А200 и А300) за счет изменения конструкции банок и состава электролита.
Сроки службы аккумуляторов, изготовленных по технологии "dryfit":
А 400 8...10 лет
А 500 5...6 лет
Аккумуляторы А400 и А500 устойчивы к глубокому разряду согласно DIN 43539.
Не рекомендуется использовать режим более глубокого, а также мягкого разряда, которые снижают продолжительность циклического срока службы аккумулятора.
2.2.2. ГЕРМЕТИЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Особую группу никель-кадмиевых аккумуляторов составляют герметичные аккумуляторы (таблицы 2.17 и 2.18). Выделяющийся в конце заряда кислород окисляет кадмий, поэтому давление в аккумуляторе не повышается. Скорость образования кислорода должна быть невелика, поэтому аккумулятор заряжают относительно небольшим током.
Герметичные аккумуляторы подразделяются на дисковые (обозначение Д), цилиндрические (обозначение Ц) и прямоугольные (обозначение КНГ).
Герметичные аккумуляторы применяются для слуховых аппаратов, малогабаритных радиоприемников, магнитофонов, фото-кино аппаратуры, карманных фонарей и т.д.
Гарантийный срок хранения аккумуляторов Д-0,125 -- 15 мес., Д-0,26 -- 6 мес., батареи 7Д-0,125 -- 14 мес. Гарантийный срок эксплуатации аккумуляторов Д-0,125 -- 14 мес., Д-0,26 -12 мес., а батареи 7Д-0,125 -- 15 мес.
Наработка дисковых аккумуляторов составляет до 400 циклов, цилиндрических -- от 100 до 1000 циклов в зависимости от условий эксплуатации.
Герметичные прямоугольные никель-кадмиевые аккумуляторы производятся с отрицательными неметаллокерамическими электродами из оксида кадмия (тип КНГК) или с металлокерамическими кадмиевыми электродами (тип КНГ) см. таблицу 2.17.
Разряжать герметичные аккумуляторы можно мгновенно (импульсный режим), в течение нескольких секунд (стартерный режим) и медленно -- в течение 10...15ч (длительный режим). Среднее разрядное напряжение в этих режимах равно соответственно: 1,1...1,12; 1,16...1,18; и 1,22...1,25 В. В конце разряда напряжение составляет 0,9...1,1В. Номинальная емкость выпускаемых аккумуляторов лежит в пределах 0,03...50 Ач, удельная энергия 16...23 Втч/кг и 45...63 кВтч/м3. При хранении заряженный аккумулятор саморазряжается (20...30% за первые 10 суток).
Рабочим интервалом температур для герметичных аккумуляторов считают интервал от 10 до 50oС. При -10oС емкость аккумулятора уменьшается по сравнению с емкостью при 20...30oС на 30...40%. Срок службы герметичных аккумуляторов меньше, чем обычных никель-кадмиевых.
Внутреннее сопротивление герметичных аккумуляторов очень мало. Например, у аккумулятора Д-0,125 при частоте f = 25 Гц оно составляет 0,5 Ом при f = 800 Гц -- 0,4 Ом и при f = 4000 Гц -- 0,32 Ом. С увеличением емкости внутреннее сопротивление падает. При емкости 1,5 Ач внутреннее сопротивление герметичного аккумулятора составляет 0,015 Ом. По мере разряда аккумулятора внутреннее сопротивление увеличивается.
Аккумуляторы концерна Varta выполнены по новой никель-гидридной технологии и имеют маркировку на этикетке Ni/MH.
Список литературы
1. Кауфман М., Сидман. А.Г.
Практическое руководство по расчетам схем в электронике. Справочник. В 2-х т.: Пер. с англ./ Под ред. Ф.Н. Покровского.
М.: Энергоатомиздат, 1991. 368 с.
2. Терещук Р.М. и др.
Малогабаритная аппаратура. Справочник радиолюбителя.
К.: Наукова думка, 1975. 557 с.
3. Сена Л.А.
Единицы физических величин и их размерности.
Учебно-справочное руководство. 3-е изд., перераб. и доп.
М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. 432 с.
4. Деордиев С.С.
Аккумуляторы и уход за ними.
К.: Техника, 1985. 136 с.
5. Электротехнический справочник.
В 3-х т. Т.2. Электротехнические изделия и устройства/под общ. ред. профессоров МЭИ (гл. ред. И. Н. Орлов) и др. 7 изд. 6 испр. и доп.
М.: Энергоатомиздат, 1986. 712 с.
6. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы.
Справочник. Под ред. С.В.Якубовского.
М.: Радио и связь, 1990. 496 с.
7. Семушкин С.
Источники тока и их применение. "Радио", 1978. № 2,3.
8. Векслер Г.С.
Расчет электропитающих устройств.
К.: Техника, 1978. 208 с.
9. Лисовский Ф.В., Калугин И.К.
Англо-русский словарь по радиоэлектронике. 2-е изд., перераб. и доп. Ок. 63000 терминов.
М.: Рус. яз., 1987.
10. Багоцкий В.С., Скундин А.М.
Химические источники тока.
М.: Энергоиздат, 1981. 360 с.
11. Кромптон Т.
Первичные источники тока.
М.: мир, 1986. 326 с.